賈旭鵬

（山西工學(xué)院，山西 朔州 036000）

0 引言

數(shù)字信號處理是一門研究如何將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對這些數(shù)字信號進行各種處理和分析的學(xué)科。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理已成為許多領(lǐng)域的重要工具。MATLAB是一種基于矩陣運算的高級編程語言，廣泛應(yīng)用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)分析和可視化等領(lǐng)域。在數(shù)字信號處理中，MATLAB提供了許多高效的函數(shù)和工具箱，使得復(fù)雜的信號處理過程變得簡單和易于實現(xiàn)。

1 MATLAB系統(tǒng)簡述與優(yōu)勢

1.1 相關(guān)概述

MATLAB是由美國MathWorks公司研發(fā)的一款數(shù)學(xué)軟件，主要應(yīng)用在開發(fā)算法、信號處理、數(shù)值計算等方面，通過數(shù)據(jù)可視化處理、信號仿真處理，搭載多功能研究箱，為多領(lǐng)域的研究提供了一種全新的方案。在最新版本中，MATLAB應(yīng)用軟件編程語句與C語言、Python語言相似且簡單，運算表達靈活，開發(fā)環(huán)境主要為用戶提供工具集，數(shù)據(jù)語言主要以數(shù)據(jù)、矩陣形式出現(xiàn)，滿足圖形化呈現(xiàn)等要求，能夠保障初學(xué)者學(xué)習(xí)效率的提高。

1.2 優(yōu)勢體現(xiàn)

1.2.1 人機界面優(yōu)勢

MATLAB人機界面包括：命令行窗口、主頁繪圖工作區(qū)、啟動平臺等內(nèi)容，能夠為使用者提供文字處理功能[1]，在編程中可應(yīng)用數(shù)學(xué)表達式等。簡便可視的數(shù)值、友好的用戶界面、多功能的模塊集和工具箱可以解決使用者數(shù)字信號處理過程中的大部分問題。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢

MATLAB具有高效的計算能力和強大的并行處理能力，可以快速進行大規(guī)模的數(shù)字信號處理。軟件中包含多類語言算法，可同時進行仿真建模、數(shù)組操作、繪圖操作等。利用圖形顯示數(shù)組數(shù)據(jù)并可視化處理，完善的圖形功能、擴展性的軟件使得MATLAB在圖形處理方面具有很大優(yōu)勢。

1.2.3 編程效率優(yōu)勢

MATLAB具有靈活的編程環(huán)境，流程控制語句較C語言更為簡便，可以使用腳本語言或者函數(shù)庫進行編程，使得數(shù)字信號處理的實現(xiàn)變得更加靈活，對于一些數(shù)學(xué)表達式也可以直接調(diào)用，能有效控制變量，語句結(jié)果也無須進行編譯，可直接在命令窗口得到結(jié)果。因此，使用者無須在前期花費大量的時間學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，無須調(diào)用大量函數(shù)庫；控制語言的簡便使得編程效率提高。

2 MATLAB語言基礎(chǔ)

MATLAB語言以矩陣為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有高效的矩陣運算能力和豐富的工具箱函數(shù)。

2.1 矩陣運算

在MATLAB中，矩陣是基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，許多數(shù)學(xué)運算都可以通過矩陣運算來實現(xiàn)。

例如，使用下列不同類型語句可創(chuàng)建一個4行4列矩陣：

2.2 繪圖功能

MATLAB具有強大的繪圖功能，可以方便地繪制各種二維和三維圖形。

例如，以下語句可以繪制一個簡單的二維圖形：

2.3 編程功能

MATLAB不僅是一種腳本語言，也是一種編程語言，可以使用MATLAB編寫自定義函數(shù)、創(chuàng)建用戶界面、編寫算法等。

例如，以下語句可以編寫程序計算n的階乘：

3 MATLAB在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用

3.1 信息的采集與生成

MATLAB具有豐富的信號源和信號采集工具箱，可以實現(xiàn)模擬信號的采集和生成?？梢岳貌煌暮瘮?shù)和算法生成各種類型的信號，如正弦波、方波、三角波等[1]。通過改變信號的幅度、頻率和相位等參數(shù)，可以生成不同特性的信號。通過使用MATLAB的信號源和信號采集工具箱，可以對信號進行采樣、量化、編碼等操作，生成數(shù)字信號。

3.2 信號的分析與處理

MATLAB具有豐富的信號處理工具箱，可以對數(shù)字信號進行分析和處理。例如，可以使用MATLAB的傅里葉變換工具箱對信號進行頻譜分析；可以使用MATLAB的小波變換工具箱對信號進行時頻分析；可以使用MATLAB的濾波器設(shè)計工具箱設(shè)計各種濾波器對信號進行處理。

在采集到信號后，通常需要進行一些預(yù)處理操作，例如濾波、去噪等。MATLAB提供了許多現(xiàn)成的濾波器和去噪算法，可以方便地應(yīng)用到信號預(yù)處理中。在預(yù)處理后，通常需要對信號進行分析和處理。MATLAB提供了許多方便的函數(shù)和工具箱，可以對信號進行各種分析操作。

3.3 信號的合成與輸出

MATLAB具有豐富的信號合成工具箱，可以將處理后的數(shù)字信號進行合成輸出。通過使用MATLAB的信號合成工具箱，可以將多個數(shù)字信號進行疊加、調(diào)制等操作，合成一個復(fù)雜的數(shù)字信號，并將其輸出到外部設(shè)備中。

3.4 數(shù)字信號處理算法

MATLAB軟件的應(yīng)用在處理過程中常以FFT算法實現(xiàn)，在具體分析、設(shè)計過程中需要DFT進行輔助運算，DFT可對WNnk中的N進行序列離散傅里葉變換，將其分解為短序列形式呈現(xiàn)[2]。

4 MATLAB在信號分析中的應(yīng)用

MATLAB軟件通過多通道采樣數(shù)據(jù)，得到數(shù)字信號頻率值。在M文件中獲取USB接口數(shù)據(jù)進行傳輸分配；又可以通過A/D采樣器在規(guī)定的采樣頻率下采樣模擬信號[1]，通過使用resample函數(shù)、decimate函數(shù)等降低采樣率，進行傅里葉變換可得到頻譜特性。

例如，演示信號在不同采樣頻率下的頻譜特性：

通過定義信號參數(shù)，根據(jù)采樣頻率生成離散信號x1、x2、x3，使用subplot函數(shù)顯示在圖形窗口中，最后進行離散傅里葉變換繪制其頻譜圖，如圖1所示。

圖1 不同信號頻譜特性

5 結(jié)束語

總而言之，MATLAB的強大功能和簡便性使其在數(shù)字信號處理和數(shù)值計算中更加高效、方便；利用MATLAB軟件庫中的函數(shù)以及算法可以生成和處理信號，并進行具體分析。其可以節(jié)省編程時間和效率，但也存在其他問題，因此需要根據(jù)實際場合選擇合適的方法。